1.2 智慧交通系统架构研究综述
《系统架构：复杂系统的产品设计与开发》[5]一书中曾提到：“架构是系统的DNA，也是形成竞争优势的基础所在。用最简单的方式来说，架构就是对系统中的实体以及实体之间的关系所进行的抽象描述。”
交通运输系统是一个涵盖道路、铁路、航空、水运等多种运输方式，由多个子系统构成的复杂系统。系统集成了大量的监督、控制、管理等功能和种类繁多的各类高新技术以及大量时间的、空间的、静态的、动态的信息，通信需求和资源共享需求也是多种多样的。因此，对于交通运输系统的设计也是复杂而烦琐的。建设一种新型交通系统的首要任务就是要进行宏观层面上的、定性的总体规划设计，即体系架构设计。
智慧交通系统体系架构设计的目的是指导智慧交通系统未来发展的总体规划、分步实施的方法与策略。其设计的目的主要包含以下4个方面[6]：
1）智慧交通系统体系架构设计可以为智慧交通系统的发展制定蓝图，确立分阶段实施计划和方案，在较短的时间内，以较小的代价达到较高水平。
2）智慧交通系统体系架构设计可以引导现有交通系统向智慧化、综合化、体系化方向发展，提高各类资源的利用率，避免重复建设和无计划的开发。
3）智慧交通系统体系架构设计为智慧交通系统相关标准的制定提供了重要依据，可以指导智慧交通系统标准体系的建立，并提供一个检查标准是否完备、是否重叠、是否一致等问题的手段。
4）智慧交通系统体系架构设计是确保不同运输方式、不同时间、不同地区开发的系统相互协调、无缝集成的一种重要手段，进而保证指挥交通系统集成的兼容性、可控性和可交互操作性。
在智能交通系统发展建设时期，各国相关领域的科研团队、专家学者都曾提出不同的智能交通系统架构，这些架构对智慧交通系统架构的构建仍具有较大的借鉴意义。本节将首先选取几种智能交通系统建设中出现的典型架构进行介绍。
1.2.1 智能道路子系统架构概况
智能交通系统（ITS）起源于20世纪60年代，最早的智能交通系统定义及体系架构基本集中于道路交通系统，本节选取了美国和日本的智能交通系统体系架构进行介绍。
1.美国智能交通系统概况
美国作为ITS的发源地，对智能交通系统的研究也最早。从1976年至1997年，美国每年车辆公里数平均上升77%，而同期道路建设里程仅增长2%，在交通高峰期，54%的车辆发生堵塞。正是在这一背景下，美国从20世纪80年代开始开展智能道路交通系统的研究与规划[2]。1993年，美国运输部正式启动了ITS体系结构开发计划，其目的是开发一个经过详细规划的国家ITS体系结构，用来指导ITS产品和服务的配置，同时在保持地区特色和灵活性的基础上为全国范围内的兼容和协调提供保证。
美国ITS体系结构包括8类服务领域、33项用户服务，具体如下：
1）出行和交通管理：包括出行前信息、途中驾驶人信息、路径导航、合乘与预约、出行者服务信息、交通控制、事件管理、出行需求管理、公路和铁路交叉口控制、排放物检测与控制。
2）公共交通管理：包括在途公交信息、个性化公共交通管理、公共出行安全。
3）电子付费。
4）商业车辆运营：包括商用车电子通关、自动路侧安全检查、商用车辆管理、车辆行驶安全监视、危险物品事件响应、商用车队管理。
5）紧急事件管理：包括紧急通知与个人安全、紧急车辆管理、事故的响应和评估。
6）先进的车辆安全系统：包括纵向防撞、横向防撞、交叉口防撞、视野扩展、车辆安全准备、碰撞前措施实施、自动车辆控制。
7）信息管理：包括存档数据管理。
8）维护和建设管理：包括维护和建设运营管理。
该系统体系结构按照逻辑体系结构（图1-1）与物理体系结构（图1-2）以及它们之间的关系来描述。物理体系结构是根据逻辑体系结构发展而来的，它分为4个子系统：中心子系统、出行者子系统、车辆子系统及道路子系统。各子系统之间使用4种通信方式：广域无线通信、有线通信、车辆与车辆间的通信及局域通信。ITS America于1996年正式批准了该系统体系结构[7]。
图1-1 美国智能交通系统顶层逻辑体系结构
图1-2 美国智能交通系统顶层物理体系结构
2.日本智能交通系统概况
ITS在日本的发展始于20世纪70年代。作为一个土地稀少人口众多的国家，日本每天有大量的机动车在路上行驶，引发的交通拥堵、环境污染等交通问题更为严重，依靠建设新的道路网来解决此类问题对日本而言更加困难，因此发展智能交通系统、有效利用现有道路资源，也成为日本解决问题的关键和必经之路[2]。
日本的体系架构同样由用户服务、逻辑架构和物理架构三部分组成，但在具体内容上，与美国存在区别。在用户服务方面，日本在对出行者出行需求进行广泛调查的基础上，将本国ITS体系结构分为10个开发领域和21个用户服务，在21个用户服务下设定了56种具体的用户服务和177项具体服务内容，从而形成一个包括发展领域、用户服务、特定的用户服务和子服务等4个层次的系统服务结构。具体包括：
1）先进的导航系统：提供路径诱导信息、提供目的地信息。
2）电子收费系统：电子收费。
3）安全辅助驾驶：提供驾驶环境信息、危险警告、协助驾驶、自动驾驶。
4）优化交通管理：交通流优化、在发生交通事故时提供交通管制信息。
5）道路管理效率化：维护管理效率化、特殊车辆管理、提供通行管制信息。
6）协助公交车辆运营：提供公共交通信息、协助公共交通的运营管理。
7）商用车效率化：协助商用车运营管理、商用车自动列队驾驶。
8）协助行人：行人路径诱导、车辆行人交通事故避免。
9）协助紧急车辆运营：紧急事件自动通报、紧急车辆路径诱导、协助救援活动。
10）提供与信息化社会其他领域的接口：在先进的信息化社会中利用先进的信息。
逻辑体系结构从子服务的定义出发，分析实现每一个子系统应该进行什么处理。其具体工作是：分析使用情况、识别为提供服务所需要的重要的信息和功能、将信息归于信息模型、用控制模型建立信息与功能的联系[7]。
物理体系结构按照逻辑体系结构定义对应用户服务的子系统结构，包括子系统之间交换的信息。系统分量是将逻辑体系结构中的每个功能分配到道路、中心和车辆而得到的。一个服务的模型提供一个ITS子系统的框架。一个个子系统的物理模型联合构成整体物理模型[7]。
1.2.2 智能铁路子系统架构概况
自ITS问世以来，各国先后提出了适合本国的ITS体系，但这些ITS体系框架均主要面向道路运输，基本未涉及铁路运输范畴。2000年，我国铁道部成立了“RITS体系框架研究”项目，第一次系统构建了我国智能铁路子系统体系架构，该体系架构主要由用户主体、服务主体、服务框架、逻辑框架、物理框架等几个部分组成，它们密切相关，共同构成RITS体系框架的有机整体[8]。
用户主体主要分为两大类：路外用户（旅客、货主）和路内用户（运营管理部门、调度管理部门、安全管理部门等）
服务框架将RITS划分为先进的用户导航系统、先进的电子商务系统、先进的综合运输系统、先进的紧急救援与安全系统、先进的铁路资源管理系统、先进的营运管理系统、先进的行车控制与调度系统7个服务领域（图1-3），21个子服务领域。
图1-3 中国智能铁路系统服务框架
逻辑框架基于前边所定义的用户服务，确定RITS为满足用户需求所必须提供的功能及各功能之间交互的信息流和数据流。逻辑框架的构建不考虑管理体制和技术因素，它只确定系统的功能，而不管功能由谁来实现，如何实现，具体的实现工作由物理框架完成。逻辑框架与系统具体实现的分离使得其具有较好的灵活性、可扩展性。中国智能铁路系统逻辑框架的顶层结构如图1-4所示。
图1-4 中国智能铁路系统逻辑框架的顶层结构
物理框架是系统的物理视图，它将逻辑框架中的功能实体化、模型化，将相关的系统功能和数据流集成为系统与子系统。物理框架与未来的铁路运输管理体制密切有关。中国智能铁路系统物理框架的顶层结构如图1-5所示。
图1-5 中国智能铁路系统物理框架的顶层结构
后来，随着我国社会经济的稳定增长，以高速铁路为代表的铁路系统得到飞速发展，在此背景下，北京交通大学秦勇等教授又提出了智能铁路2.0的体系框架[9]。在对智能铁路2.0定义和核心处理流程等内涵分析的基础上，用逻辑框架和物理框架来描述智能铁路2.0技术体系框架。
逻辑框架主要描述为实现系统服务目标所必须提供的功能模块及各模块间交互的信息流和数据流。它是从功能实现的角度为智能铁路2.0系统提供一个通用的顶层框架，不涉及具体的实现技术及实施方案，主要包括物理层、状态感知层、信息融合层、智能分析层、业务优化层、协同服务层及系统目标层，如图1-6所示。
图1-6 智能铁路2.0逻辑框架
物理层：构成铁路系统的物理组成部分，包括沿线基础设施、综合车站、列车及运行环境等。
状态感知层：采集获取沿线基础设施、列车、运行环境及客货服务对象等的状态数据，用于将物理组成部分进行数字化处理。
信息融合层：通过网络融合和数据融合，将多元异构大数据进行高效传输、集中管理、有效组织和全息表达，为智能分析层提供准确、有效、完备的信息资源。
智能分析层：基于有效信息，利用人工智能，进行知识的发现和挖掘，形成知识库，为业务优化提供核心的知识支撑。
业务优化层：基于各类专业知识，利用优化模型，对设备设施管理、运输组织调度、安全应急管理进行最优化决策和执行，为智能铁路系统的服务对象提供最佳的内部功能支撑。
协同服务层：基于业务优化层提供的内部功能，通过服务定制和无缝协同，为客货对象、管理者以及合作方等服务对象提供个性化、及时和舒适的位移服务。
系统目标层：智能铁路2.0的目标是实现更加智能高效、安全可靠、优质服务及绿色环保的铁路运输系统。
物理框架描述了该系统的总体构成要素，主要包含智能化基础设施（线路、站场、车站等）、智能化移动装备、智能化信息平台、智能客货服务系统、智能运营管理系统和智能安全保障系统等，如图1-7所示。
图1-7 智能铁路2.0物理框架
智能化基础设施：是智能铁路2.0系统运行的物理支撑，通过物联网实现铁路列车、线路、站场和车站的状态获取和泛在互联，并结合边缘计算等形成智能列车、智能线路、智能站场和智能车站等。
智能化信息平台：是智能铁路2.0系统运行的处理核心，基于大数据、云计算及人工智能等，实现信息的智能化处理和知识发现。
智能化运营管理：是智能铁路2.0系统运行的核心业务，在智能化信息平台的支撑下，实现智能客货服务、智能运输管理和智能安全保障等业务内容。
1.2.3 智能地铁子系统架构概况
深圳大学教授简炼曾在《地铁智能交通系统研究与实践》[10]一书中提出了地铁智能交通系统（MITS）的体系框架，书中将MITS体系框架分为三个部分，分别为服务框架、逻辑框架以及物理框架。
其中，服务框架用于确定为满足用户需求所必须提供的各类服务。书中围绕地铁智能交通系统“高安全、高效率、高品质”的三高目标，将MITS划分为多个服务领域，如图1-8所示。
图1-8 地铁智能交通系统服务框架
逻辑架构部分从逻辑角度描述系统内部结构，即针对MITS服务框架确定的各类用户服务，定义出满足上述目标应具有的最合理的数据源、数据输出和处理过程，以及输入数据、中间数据和输出数据与处理过程的相互关系及其必须遵守的技术规范。地铁智能交通系统逻辑框架的顶层结构如图1-9所示。
图1-9 地铁智能交通系统逻辑框架的顶层结构
物理架构是对MITS物理实现的描述，它将逻辑框架中的功能实体化、模型化，把功能相近的物理模型归结为直观的系统和子系统。物理框架定义出能实现其各类功能的物理子系统，以及这些子系统之间交互的框架流及相互关系。地铁智能交通系统物理框架的顶层结构如图1-10所示。
1.2.4 智慧交通系统架构方式
前几节中，已经介绍了智能交通系统建设过程中出现的几种系统架构，这些架构与智慧交通系统架构在部分形式或内容上有一定的相通之处，但在应用背景、架构设计出发点等方面又具有较大差异。
智能交通用计算机和网络取代传统的手工流程操作，它更加关注信息采集、传递等具体流程的效率，着眼于先进技术在各特定领域的应用与服务，属于被动的交通运输系统。不同于智能交通的概念，智慧交通是一种畅通无阻、智慧高效的愿景，而不仅仅是新技术的应用，它的目的在于利用智慧技术使系统能够自主地完成任务、实现功能。在这个转变过程中，人们对交通系统自主化、智慧化的需求跟传统的交通运输需求是有一定差异的。因此，对智慧交通系统的架构设计，必须从最初的系统需求出发，在智能交通系统的基础上，从系统需求出发完成对智慧交通系统的架构重构。
图1-10 地铁智能交通系统物理框架的顶层结构
从另一方面来说，现代交通趋向于多种交通方式融合发展，构建立体化的综合交通系统。但从架构部分来看，在不同交通运输方式领域中，架构发展趋势不平衡，道路、铁路等领域对体系架构的构建开始较早，发展相对迅速，而在民航、水运等领域，架构设计进展缓慢，缺乏整体的架构体系。国内外大型系统设计发展至今的经验表明：体系框架的设计是一切复杂、大型系统设计的起点和依据[6]。从实际情况来看，智能交通系统建设期间，道路、铁路领域因具备较完善的体系架构，体系化发展十分迅速，智能化子系统的构建相对成熟，体系化成果应用也远超其他领域。
而对于面向未来的智慧交通、综合交通，需要构建一种适合多种交通方式的、共性的智慧交通体系架构，从顶层宏观的角度来引导综合智慧交通系统的发展，避免各交通运输领域间，因缺乏统一的体系架构，产生系统建设应用混乱、缺乏统一标准、难以互通互联的局面。这也是本篇的主要任务，即构建一种适应多种交通方式的、共性的、普适性的新一代综合智慧交通系统体系架构。
本篇共分为5章内容，在本章中，给出了智慧交通系统的定义，介绍了智能交通系统的架构情况，分析了智慧交通系统架构设计的基本逻辑。第2章将对智慧交通系统的需求进行分析，并从需求出发构建智慧交通系统的评价指标体系；第3章将在系统需求的基础上完成系统逻辑架构和物理架构的设计；第4章介绍智慧交通系统中应用的关键技术和部分应用，为智慧交通系统搭建技术架构；第5章综述交通运输领域的发展过程，展望智慧交通系统的发展趋势，并提出相应的保障措施。